PARTICULARIDADES

EL MUNDO, Barcelona, 25 de enero de 2017
Partículas y espacio vacío
Rafael Bachiller

"Nada existe, excepto átomos y espacio vacío, lo demás es opinión". Así resumía y sentenciaba Demócrito de Abdera sus ideas, y la de su maestro Leucipo, sobre la estructura de la materia hace unos 2.500 años. Demócrito daba así respuesta a una de las grandes preguntas que se han planteado muchas civilizaciones desde el origen de la humanidad: ¿qué es la materia?

Que la materia está constituida por pequeñas unidades indivisibles (los átomos griegos) ha sido una idea generalizada a lo largo de la historia. La ciencia y la filosofía se han ocupado de esta cuestión durante siglos y los estudios continúan hoy día bajo la etiqueta de física de partículas. Esta rama de la física, que sigue tratando de describir los constituyentes últimos de la materia y las fuerzas con las que tales partículas elementales interaccionan entre sí, ha logrado un éxito maravilloso al construir una teoría que, junto a la de la relatividad de Einstein, puede considerarse uno de los mayores logros de la mente humana. Es una bellísima teoría que se esconde tras el modesto nombre de modelo estándar de las partículas, el resultado de un incansable esfuerzo llevado a cabo por muchas generaciones de físicos durante casi siglo y medio para unificar y simplificar ideas.

Naturalmente, los átomos de Demócrito, las entidades residuales del proceso de división de la materia que no puede continuar indefinidamente, no se corresponden con los átomos de la física actual. Imaginemos que un átomo tuviese el tamaño del punto de esta i. Habría que ampliar el punto hasta un tamaño de 5.000 kilómetros para que nuestro ojo pudiese apreciar el núcleo del átomo como otro punto, y constataríamos así que los átomos de la materia ordinaria, aunque están prácticamente vacíos, son entidades complejas. Y sería necesario agrandar el punto hasta un tamaño de unos 10 millones de kilómetros para poder apreciar que los núcleos están constituidos por unas unidades menores denominadas quarks. No se ha podido dividir un quark hasta la fecha, ni siquiera aislarlo de los otros quarks con los que se agrupan para formar partículas compuestas como el protón o el neutrón. Además, todas las otras partículas conocidas pueden explicarse como la combinación de algunos de los seis quarks de diferentes tipos. Electrón, muón, tau y tres ligerísimos neutrinos diferentes completan la docena de partículas básicas que son consideradas hoy como indivisibles y elementales. Las 12 partículas básicas pueden ser agrupadas por parejas o por tríos, según consideremos algunas de sus propiedades, forman así un conjunto que encierra muy bellas simetrías.

Aunque la materia esté esencialmente vacía, la experiencia nos dice que no podemos atravesar fácilmente un muro. Ello se debe a que el espacio vacío de los átomos está impregnado de campos electromagnéticos que impiden que nuestros propios átomos se interpenetren fácilmente con los del muro. Una idea básica de la física actual es que el vacío no es lo mismo que la nada. Al asegurar que "nada existe, excepto átomos y espacio vacío", un moderno Demócrito reemplazaría quizás el término átomos por partículas elementales, pero con esta enigmática frase el sabio griego nos adelantaba un concepto fundamental de la ciencia moderna: el concepto de campo de energía. Hemos visto, por ejemplo, cómo en el vacío de los átomos reside un campo tan importante como el electromagnético, resultado de las fuerzas de interacción entre los electrones y los protones nucleares.

La electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y cada una de estas fuerzas está representada en la física por un intercambio de otras partículas denominadas mediadoras. Así, la fuerza electromagnética está mediada por fotones (los cuantos de la luz). La fuerza nuclear débil, responsable de algunas de las desintegraciones más importantes de los núcleos, está mediada por los tres bosones W+, W- y Z. La fuerza nuclear fuerte, la que mantiene a los quarks pegados entre sí dentro de los núcleos, está mediada por los gluones. Finalmente, la fuerza gravitatoria, que hace que todos los cuerpos masivos se atraigan, está mediada por una partícula hipotética denominada gravitón.

El famoso bosón de Higgs es una partícula que representa otro de los campos fundamentales que impregnan el vació: el campo de Higgs. Cuando las partículas se mueven por el vacío, su rozamiento con ese campo hace que el movimiento lo realicen con mayor o menor dificultad. Esta interacción con el campo de Higgs representa por tanto la inercia frente al movimiento o, en otras palabras, la masa de las partículas.

El vacío, que no es la nada, es por tanto un ingrediente esencial de la física de las partículas. Aunque observásemos un vacío-vacío (sin ningún átomo), al hacerlo con suficiente detalle distinguiríamos allí un intenso palpitar de partículas que se crean y se destruyen continuamente. El vacío está realmente lleno e impregnado de campos de energía, confirmándose así la idea de horror vacui de Roger Bacon: la naturaleza -como algunas tendencias artísticas- parece tener horror al vacío. Quizá sea la energía que reside en este vacío la que origina una repulsión entre las galaxias a muy gran escala, lo que se conoce en la astrofísica como energía oscura.

La posible relación del vacío microscópico de la física de partículas con el vacío cosmológico no es más que uno de los campos abiertos de estudio en la física contemporánea. Por otro lado, la gravedad no se integra de manera natural con el resto de las interacciones, obedece a otra teoría (la relatividad general de Einstein) que parece tener poco que ver con la teoría de partículas. Por eso los físicos han inventado la teoría de la supersimetría, en la que a cada partícula le debería corresponder otra supersimétrica, y la teoría de cuerdas en la que cada partícula se representa por un estado de vibración. Se buscan hoy intensamente fenómenos experimentales que confirmen o refuten tales teorías.

La física de partículas nos lleva pues a un mundo fascinante en el que la materia ya no está constituida por pequeños corpúsculos. Según vamos descendiendo de escala, las partículas parecen desvanecerse en entidades ondulatorias o vibraciones en el seno de un vacío repleto de fenómenos muy sutiles. Pero no se trata de entelequias: partiendo de la ciencia básica, estos estudios de la materia han tenido un impacto enorme en la construcción del mundo moderno. Todos los métodos de obtención de energía, todos los desarrollos de nuevos materiales y de los compuestos químicos, tienen su raíz en el estudio de la materia y de las partículas elementales.

Cuando el gran físico alemán Max Planck llegó a la Universidad de Múnich en 1875, le aconsejaron que no estudiase física pues "ya no quedaba nada por descubrir". Hoy, tras casi siglo y medio de descubrimientos sobre la naturaleza de la materia, deberíamos haber aprendido a ser más humildes y mantenernos receptivos a todos los fenómenos que, más allá del modelo estándar, seguirán cambiando nuestra manera de comprender el mundo.
(*) Rafael Bachiller es astrónomo, director del Observatorio Astronómico Nacional (IGN) y miembro del Consejo Editorial de EL MUNDO.

Fuente:
http://www.elmundo.es/opinion/2017/01/25/58879c6f22601d843e8b4599.html
Ilustración: Ajubel.

"HAY ALGO ALENTADOR ..."

EL PAÍS, Madrid, 2 de agosto de 2015
TRIBUNA
Mi tabla periódica
Me entristece no ser testigo de la nueva física nuclear, ni de otros miles de avances en las ciencias físicas y biológicas
Oliver Sacks 

Espero con entusiasmo, casi ansiosamente, la llegada semanal de revistas como Nature y Science, y me dirijo inmediatamente a los artículos sobre ciencias físicas, y no, como tal vez debería, a los que tratan de biología y medicina. Las ciencias físicas fueron las primeras en fascinarme siendo niño.
En una reciente edición de Nature había un apasionante artículo del físico Frank Winczek, ganador de un premio Nobel, sobre una nueva manera de calcular las masas ligeramente diferentes de los neutrones y los protones. El nuevo cálculo confirma que los neutrones son muy poco más pesados que los protones (la ratio entre sus masas es de 939,56563 a 938,27231). Se podría pensar que la diferencia es insignificante, pero si no fuese así, el universo, tal como lo conocemos, nunca habría llegado a desarrollarse. La capacidad de calcular algo así, dice Wilczek, “nos anima a predecir un futuro en el que la física nuclear alcanzará el nivel de precisión y versatilidad ya logrado por la física atómica”, una revolución que, por desgracia, yo nunca veré.
Francis Crick estaba convencido de que “el problema difícil” —entender cómo el cerebro produce la conciencia— estaría resuelto en 2030. “Tú lo verás”, solía decirle a Ralph, mi amigo neurólogo, “y tú también, Oliver, si llegas a mi edad”. Crick vivió hasta avanzados los 80 años, trabajando y pensando sobre la conciencia hasta el final. Ralph murió prematuramente, a la edad de 52 años, y ahora yo sufro una enfermedad terminal a los 82. Debo decir que no tengo demasiada experiencia con el “problema difícil” de la conciencia. La verdad es que no lo veo como un problema en absoluto, pero me entristece no ser testigo de la nueva física nuclear que vislumbra Wiczek, ni de otros miles de avances en las ciencias físicas y biológicas.
Hace unas semanas, en el campo, lejos de las luces de la ciudad, vi el cielo entero “salpicado de estrellas” (en palabras de Milton). Un cielo así, imaginé, solo se debía de poder contemplar en altiplanos secos y elevados como el de Atacama, en Chile (donde se encuentran algunos de los telescopios más potentes del mundo). Fue ese esplendor celestial el que me hizo darme cuenta de repente de qué poco tiempo, qué poca vida me quedaba. Para mí, mi percepción de la belleza del cielo, de la eternidad, estaba asociada indisolublemente a una sensación de fugacidad y muerte.
Dije a mis amigos Kate y Allen: “Me gustaría ver un cielo así cuando esté muriendo”.
Ellos me respondieron: “Nosotros empujaremos la silla de ruedas”.
Desde que en febrero escribí que tenía cáncer con metástasis, los cientos de cartas recibidas, las expresiones de cariño y aprecio, y la sensación de que (a pesar de todo) he vivido una vida buena y provechosa, me han consolado. Estoy muy feliz y agradecido por todo ello, pero nada me ha impactado tanto como lo hizo aquel cielo nocturno cubierto de estrellas.
Desde mi infancia he tenido la tendencia a afrontar la pérdida —pérdida de personas queridas— recurriendo a lo no humano. Cuando, siendo un niño de seis años, me enviaron a un internado a principios de la II Guerra Mundial, los números se hicieron mis amigos; cuando regresé a Londres a los 10, los elementos y la tabla periódica se convirtieron en mis compañeros. Las épocas de tensión a lo largo de mi vida me han llevado a volverme, o a volver, a las ciencias físicas, un mundo en el que no hay vida, pero tampoco muerte.
Y ahora, en este punto crítico, cuando la muerte ya no es un concepto abstracto, sino una presencia —demasiado cercana e innegable— vuelvo a rodearme, como cuando era pequeño, de metales y minerales, pequeños emblemas de eternidad. En un extremo de mi escritorio, en un estuche, tengo el elemento 81 que me enviaron unos amigos de los elementos de Inglaterra; en el estuche dice: “Feliz cumpleaños de talio”, un recuerdo de mi 81º cumpleaños, el pasado julio. Y después está el reino dedicado al plomo, el elemento 82, por mi 82º cumpleaños, que acabo de celebrar a principios de este mes. En él hay también un pequeño cofre de plomo que contiene el elemento 90: torio, torio cristalino, tan bello como los diamantes, y, por supuesto, radioactivo (de ahí el cofre de plomo).
Tengo náuseas y pérdida de apetito; escalofríos de día y sudores de noche; y un cansancio generalizado
A principios de año, las semanas después de enterarme de que tenía cáncer, me sentía muy bien a pesar de que la mitad de mi hígado estaba invadido por la metástasis. Cuando, en febrero, se aplicó a mi enfermedad un tratamiento consistente en inyectar gotas minúsculas en las arterias hepáticas (un procedimiento conocido como embolización), me encontré fatal durante un par de semanas, pero luego me sentí fenomenal, cargado de energía física y mental. (Casi todas las metástasis habían sido aniquiladas por la embolización). No se me había concedido una remisión, pero sí un descanso, un tiempo para profundizar amistades, visitar pacientes, escribir y volver a mi país natal, Inglaterra. Entonces la gente apenas podía creer que estuviese en fase terminal, y yo mismo podía olvidarlo fácilmente.
Esa sensación de salud y energía empezó a decaer cuando mayo dejó paso a junio, pero pude celebrar mi 82º cumpleaños por todo lo alto. (Auden solía decir que uno debería celebrar siempre su cumpleaños, no importa cómo se encuentre). Pero ahora tengo un poco de náusea y pérdida de apetito; escalofríos durante el día y sudores por la noche; y, sobre todo, un cansancio generalizado acompañado de agotamiento repentino cuando hago demasiadas cosas. Sigo nadando a diario, aunque ahora más despacio, ya que estoy empezando a notar que me falta un poco el aliento. Antes podía negarlo, pero ahora sé que estoy enfermo. Un TAC realizado el 7 de julio confirmó que las metástasis no solo se habían reproducido en el hígado, sino que se había extendido más allá de él.
La semana pasada empecé un nuevo tipo de tratamiento: la inmunoterapia. No está exenta de riesgos, pero espero que me proporcione unos cuantos buenos meses más. No obstante, antes de empezar con ella, quería divertirme un poco haciendo un viaje a Carolina del Norte para ver el maravilloso centro de investigación sobre lémures de la Universidad de Duke. Los lémures están próximos a la estirpe ancestral de la que surgieron todos los primates, y me gusta pensar que uno de mis propios antepasados, hace 50 millones de años, era una pequeña criatura que vivía en los árboles no tan diferente de los lémures actuales. Me encantan su saltarina vitalidad y su naturaleza curiosa.
Junto al círculo de plomo de mi mesa está la tierra del bismuto: bismuto de origen natural procedente de Australia; pequeños lingotes de bismuto en forma de limusina de una mina de Bolivia; bismuto fundido y enfriado lentamente para formar hermosos cristales iridiscentes escalonados como un poblado hopi; y, en un guiño a Euclides y la belleza de la geometría, un cilindro y una esfera hechos de bismuto.
El bismuto es el elemento 83. No creo que llegue a ver mi 83º cumpleaños, pero creo que hay algo esperanzador, algo alentador en tener cerca el “83”. Además, siento debilidad por el bismuto, un humilde metal gris, a menudo desdeñado e ignorado, incluso por los amantes de los metales. Mi sensibilidad de médico hacia los maltratados y los marginados se extiende al mundo inorgánico y encuentra un paralelo en mi simpatía por el bismuto.
Es casi seguro que no seré testigo de mi cumpleaños de polonio (el número 84), ni tampoco querría tener polonio cerca de mí, con su radiactividad intensa y asesina. Pero en el otro extremo de mi mesa —de mi tabla periódica— tengo un bonito trozo de berilio (elemento 4) elaborado mecánicamente para que me recuerde mi infancia y lo mucho que hace que empezó mi vida próxima a acabar.
(*) Oliver Sacks es profesor de neurología en la Escuela de Medicina de la Universidad de Nueva York. Su último libro es la autobiografía On the move (En movimiento). Este artículo se publicó originalmente en The New York Times